CN102494279A

CN102494279A - 一种基于配光优化的非对称led路灯的设计方法

Info

Publication number: CN102494279A
Application number: CN2011104090200A
Authority: CN
Inventors: 王尧; 刘华; 卢振武
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102494279B

Abstract

一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法属于非成像LED照明领域，解决了亮度均匀性不足，产生“斑马效应”，危害道路安全的缺欠，该方法包括：了解道路构成基本参数；配光设计；照明模拟，分析照明标准；计算配光透镜初始结构；光学建模仿真；满足性能要求；完成设计。本发明综合考虑了使用功能、道路等级和各项道路照明评价指标进行配光优化，满足道路照明设计标准，真正符合城市道路照明的要求；LED路灯配光透镜在垂直道路方向上非对称，光线向机动车道方向偏移，极大提高了光能利用率；在设计过程中进行了差值优化反馈，光线经过透镜后的光能分布更接近理想状态，提升了透镜的性能。

Description

一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法

技术领域

本发明属于非成像LED照明领域，涉及一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法。

背景技术

用LED代替传统的高压钠灯作为道路照明的光源，是目前城市道路照明建设的发展趋势。

目前的LED路灯配光透镜，均以提高照度均匀性为目标来进行设计，而忽略了亮度、眩光和环境照度比的影响。实际上道路照明并不单单考量照度的均匀性，根据《城市道路照明设计标准》(CJJ 45-2006)的相关规定，道路照明要同时满足以下参数的要求：路面平均亮度、路面亮度总均匀度、路面亮度纵向均匀度、路面平均照度、路面照度均匀度、眩光限制阈值增量和环境照度比。这些参数根据道路使用功能和道路等级的不同而有不同的标准值。单纯的追求照度均匀性，会导致亮度均匀性不足，产生“斑马效应”，危害道路安全。因此，需要综合考虑所有道路照明设计参数标准，进行配光优化，得到符合道路照明标准的配光曲线，进而根据此配光曲线设计出的LED路灯配光镜，这样才能真正满足道路照明需要。

另外，LED芯片具有一定尺寸，其发出的光经LED配光透镜后的理论设计光能分布与实际光能分布会存在一定的偏差，尤其是经过透镜边缘部分的光线，这种效果更为明显。以往LED路灯透镜在设计过程中均未考虑这方面的影响，因此制约了LED路灯配光镜性能的进一步提升。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法，该设计方法设计的透镜的配光曲线经过配光优化，可以解决亮度均匀性不足，产生“斑马效应”，危害道路安全的缺欠，提升了LED路灯配光透镜的性能。

一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法，该设计方法包括如下步骤：

步骤1)确定街道构成的基本参数，设定各项道路照明评价指标，根据道路使用功能和道路等级，确定其照明标准值；

步骤2)以一段道路上相邻两根灯杆之间的路面为目标面进行配光优化，计算出每个路灯在目标面上的照度分布值和亮度分布值，通过每个路灯在目标面上的照度分布值和亮度分布值计算出各项道路照明评价指标；

步骤3)以各项照明标准值为优化条件，能量利用系数

为优化目标，求解目标路面照度，获得路灯的配光分布：其中，L_av为路面平均亮度，E_av为路面照度平均照度；

步骤4)以LED光源中心为原点，建立直角坐标系和球坐标系，根据能量守恒定律，由直角坐标系表示的目标面上的区域分布和由球坐标系表示的出射光线光能的分布相等，通过目标面上的照度分布值建立出射光线与目标面上的小矩形区域一一对应关系；

步骤5)根据折射定律和步骤4)中的出射光线与目标面上的小矩形区域的能量关系，计算出出光面特征点的表面法线矢量；利用给定出光面上任一点的直角坐标和出光面特征点的表面法线矢量，计算出所有出光面上特征点的坐标值；

步骤6)将出光面上的特征点直角坐标拟合为曲面，在机械仿真软件中构建出LED配光透镜的初始结构模型；通过光学仿真软件中进行光学仿真，得到目标面照度的模拟值，若目标面照度的模拟值与目标面的照度分布值存在偏差，则需要通过优化反馈函数进行优化反馈，以最终优化得到的目标面的照度分布值，重复步骤4)和步骤5)，得到配光优化非对称LED路灯出光面特征点的坐标值，完成基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法。

本发明的有益效果是：本发明综合考虑了使用功能、道路等级和各项道路照明评价指标进行配光优化，满足道路照明设计标准，真正符合城市道路照明的要求；LED路灯配光透镜在垂直道路方向上非对称，光线向机动车道方向偏移，极大提高了光能利用率；在设计过程中进行了差值优化反馈，光线经过透镜后的光能分布更接近理想状态，提升了透镜的性能。

附图说明

图1为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的LED路灯配光透镜设计流程图。

图2为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的非对称LED配光透镜结构示意图。

图3为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的配光优化目标面示意图。

图4为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的配光优化得到的配光曲线图。

图5为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的光源和目标面能量映射关系示意图。

图6为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的折射矢量关系图。

图7为本发明一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法的LED路灯配光透镜的配光光曲线图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法，该设计方法包括如下步骤：

步骤3)以各项照明标准值为优化条件，能量利用系数

为优化目标，求解目标路面照度，获得路灯的配光分布；其中，L_av为路面平均亮度，E_av为路面照度平均照度；

LED路灯配光透镜由基面、入光面和出光面三个面组成，基面11为透镜的底部平面，在上述基面上有一个凹孔，形状为球形或椭球形，构成透镜的入光面12，除基面和入光面外的另一面为出光面13。如图2所示(a)为LED路灯配光镜的三维视图，(b)为LED路灯配光透镜在xoy平面的截面图，(c)为LED路灯配光透镜在yoz平面的截面图，(d)为LED路灯配光透镜在xoz平面的截面图。LED路灯配光透镜关于yoz平面非对称，光线在y轴方向上偏向机动车道分布；关于xoz平面对称，在沿道路的x轴方向上呈对称分布。

以适用于沥青路面主干路的LED路灯配光镜为例，进一步说明一种基于配光优化非对称LED路灯的设计方法。

第一步，配光优化

(1)明确各项道路照明评价指标，路面平均亮度L_av≥1.5cd/m²，路面亮度总均匀度U₀≥0.4，路面亮度纵向均匀度U_L≥0.7、路面照度平均照度E_av≥20lx、路面照度均匀度E₀≥0.4、眩光限制阈值增量TI≤10％和环境照度比SR≥0.5。

确定街道构成的基本参数，包括：LED路灯到路面的距离h＝10m，路灯间距L＝30m，机动车道宽度W₁＝7.5m，人行道宽度W₂＝5m，路面简化亮度系数r如《城市道路照明设计标准》(CJJ 45-2006)中表A.0.2-1所示。

(2)如图3所示，以一段道路上相邻两根灯杆之间的路面21为目标面进行配光优化。第一根灯杆的位置为原点，垂直于道路长度的方向为x轴，沿道路长度的方向为y轴，建立直角坐标系(x，y)，将目标面的平均分为M×N个矩形区域，坐标值为(x_i，y_j)，i＝1，2，...，M，j＝1，2，...，N，每个路灯在目标面上的照度分布可以表示为

E(x，y)＝E_x(x)·E_y(y)

E_x(x)和E_y(y)，均为为高斯或余弦函数多项式，以J＝2，K＝3的余弦函数多项式为例

E (x, y) = (Σ_{i = 1}^{J} a_{i} \cos^{m_{i}} \frac{π (x - θ_{x})}{2 (W_{1} + W_{2})}) (Σ_{i = 1}^{K} b_{i} \cos^{n_{i}} \frac{π (y - θ_{y})}{2 L})

其中J表示多项式E_x(x)的项数，a₁，a₂，...，a_J表示多项式E_x(x)各项系数，m₁，m₂，...，m_J表示多项式E_x(x)各项次数，θ_x表示多项式E_x(x)的相移量，K表示多项式E_y(y)的项数，b₁，b₂，...，b_K表示多项式E_y(y)各项系数，n₁，n₂，...，n_K表示多项式E_y(y)各项次数，θ_y多项式E_y(y)的相移量。

亮度值定义为：

L (x_{i}, y_{j}) = \frac{r (x_{i}, y_{j})}{10^{4} \cos^{3} γ (x_{i}, y_{j})} \cdot E (x_{i}, y_{j})

其中，γ表示路灯与(x_i，y_j)点的连线和竖直方向之间的夹角22。每个矩形区域的照度值和亮度值均为所有路灯叠加的结果，分别记为E_total(x_i，y_j)和L_total(x_i，y_j)。

路面平均亮度L_av、路面亮度总均匀度U₀、路面亮度纵向均匀度U_L、路面照度平均照度E_av、路面照度均匀度E₀、眩光限制阈值增量TI和环境照度比SR，均可根据路面照度分布E_total(x_i，y_j)和路面亮度分布L_total(x_i，y_j)来表示。路面平均亮度的表达式为：

L_{av} = \frac{Σ_{i = 1}^{M} Σ_{j = 1}^{N} L_{total} (x_{i}, y_{j})}{MN}

路面平均照度的表达式为：

E_{av} = \frac{Σ_{i = 1}^{M} Σ_{j = 1}^{N} E_{total} (x_{i}, y_{j})}{MN}

路面亮度均匀度的表达式为：

U_{0} = \frac{\min (L_{total} (x_{i}, y_{j}))}{L_{av}}, i = 1,2, . . ., M, j = 1,2, . . ., N

路面照度均匀度的表达式为：

E_{0} = \frac{\min (E_{total} (x_{i}, y_{j}))}{E_{av}}, i = 1,2, . . ., M, j = 1,2, . . ., N

其中min(L(x_i，y_j))和min(E(x_i，y_j))分别表示目标面的亮度和照度最小值。路面亮度纵向均匀度表示为：

U_{0} = \frac{\min (L_{total} (x_{center}, y_{j}))}{\max (L_{total} (x_{center}, y_{j}))}, j = 1,2, . . ., N

其中min(L_total(x_center，y_j))和max(L_total(x_center，y_j))分别表示同一车道中心线上的最小亮度和最大亮度值。眩光限制阈值增量表示为：

TI = 65 \frac{L_{v}}{L_{av}^{0.8}}

其中，L_v称作等效光幕亮度，是E_total(x_i，y_j)和L_total(x_i，y_j)的函数。环境照度比表示为：

SR = \frac{E_{av 2}}{E_{av 1}}

其中E_av1表示机动车道平均照度，E_av2表示人行道的平均照度。

配光优化就是用更少的光达到道路照明标准中规定的技术参数，其能量利用系数

配光优化实际上就是求Q的最大值，同时满足道路照明的相关标准，如下所示

\max (Q (a_{1}, a_{2}, m_{1}, m_{2}, b_{1}, b_{2}, b_{3}, n_{1}, n_{2}, n_{3}, θ_{x}, θ_{y})) = \max (\frac{L_{av} (a_{1}, a_{2}, m_{1}, m_{2}, b_{1}, b_{2}, b_{3}, n_{1}, n_{2}, n_{3}, θ_{x}, θ_{y})}{E_{av} (a_{1}, a_{2}, m_{1}, m_{2}, b_{1}, b_{2}, b_{3}, n_{1}, n_{2}, n_{3}, θ_{x}, θ_{y})})

L_av(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≥1.5

E_av(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≥20

U₀(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≥0.4

E₀(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≥0.4

U_L(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≥0.7

TI(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≤10

SR(a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y)≥0.5

要得到目标面的照度分布，就要解出a₁，a₂，m₁，m₂，b₁，b₂，b₃，n₁，n₂，n₃，θ_x，θ_y的值，这是一个有约束的最优化求解问题，用计算机软件可以解出。其配光曲线如图4所示，31为沿道路长度方向上的光强分布，32为垂直于道路长度方向的光强分布。

a₁＝0.4876 a₂＝0.5137

m₁＝0.3541 m₂＝0.4089

b₁＝0.2578 b₂＝4.9541

b₃＝12.5745 n₁＝27.6667

n₂＝0.7878 n3＝0.2971

θ_x＝0.3111 θ_y＝0

第二步，初始面型设计

根据配光优化得到的目标面照度E(x，y)，结合能量守恒定律建立LED光源与路面的能量映射关系，构建LED路灯配光透镜的初始模型。

(1)如图5所示，以LED光源中心为原点，沿道路长度的方向为x轴，垂直于道路长度的方向为y轴，建立直角坐标系(x，y，z)，将目标面沿x轴平均分为m＝50份，沿y轴平均分为n＝100份，得到m×n个面积相等的小矩形区域41，目标面上点的坐标值为(x_i，y_j，3000)，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n。

相应的，建立与上述直角坐标系重合的球坐标系42(u，v，z)，u表示出射光线与x轴的夹角43，v表示出射光线和x轴组成的平面与z轴之间的夹角44。将出射光线沿u轴分为m份，沿v轴分为n份，出射光线坐标为(u_i，v_j，0)，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，出射光线与目标面上的小矩形区域是一一对应的，根据能量守恒定律，出射光线的光能分布与目标面上照度分布满足如下关系45：

{&Integral;}_{u_{i - 1}}^{u_{i}} {&Integral;}_{v_{i - 1}}^{v_{i}} I (u, v) \sin ududv = {&Integral;}_{x_{i - 1}}^{x_{i}} {&Integral;}_{y_{i - 1}}^{y_{i}} E (x, y) dxdy

其中，I(u，v)为给定LED光源的光强分布。

(2)根据折射定律和第二步(1)中的出射光线与目标面上的小矩形区域的能量映射关系，计算出出光面特征点的表面法线矢量

如图6所示：

其中表示入射到出光面的光线单位矢量，

表示从出光面出射的光线单位矢量。给定出光面上任一点的坐标(px₀，py₀，pz₀)，根据出光面特征点的表面法线矢量

迭代计算出所有出光面上特征点的坐标值(px，py，pz)。

(3)在将出光面上的特征点拟合为曲面，在机械仿真软件UG中构建出LED配光透镜的初始结构模型。

第三步，反馈优化

在光学仿真软件TracePro中进行光学仿真，得到目标面照度的模拟值为E′(x，y)，若E′(x，y)与配光优化得到的目标面照度E(x，y)存在较大偏差，则要进行优化反馈。

定义优化反馈函数

η_i(x，y)＝β_i(x，y)·β_i-1(x，y)Lβ₁(x，y)

其中

β_{i} (x, y) = \{\begin{matrix} r_{1}, \frac{E (x, y)}{{E_{i}}^{'} (x, y)} \leq r_{1} \\ \frac{E (x, y)}{{E_{i}}^{'} (x, y)}, r_{1} < \frac{E (x, y)}{{E_{i}}^{'} (x, y)} \leq r_{2} \\ r_{2}, \frac{E (x, y)}{{E_{i}}^{'} (x, y)} > r_{2} \end{matrix}

式中r₁表示β_i(x，y)的最大值，r₂表示β_i(x，y)的最小值，其数值可根据需要自行确定。则E_i+1(x，y)＝η_i(x，y)·E(x，y)，其中，第i次优化后得到的照度为E_i′(x，y)，则第i+1次优化的目标照度E_i+1(x，y)。

以E_i+1(x，y)作为目标面的照度分布，按照第二步的方法对出光面进行优化设计，直至目标面的模拟照度满足要求为止。

此实例进行了4次反馈，得到较为满意的设计结果，图7为最终配光曲线图，61为沿道路长度方向上的光强分布，62为垂直于道路长度方向的光强分布。LED路灯配光透镜光学效率为90％以上，沿道路长度方向上配光角度65～75°，结果全部满足沥青路面主干路的照明要求。

Claims

1.一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法，其特征在于，该设计方法包括如下步骤：

步骤3)以各项照明标准值为优化条件，能量利用系数

2.如权利要求1所述的一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法，其特征在于，步骤1)街道构成的基本参数包括：LED路灯到路面的距离h，路灯间距L，机动车道宽度W₁，人行道宽度W₂，路面简化亮度系数r。

3.如权利要求1所述的一种基于配光优化的非对称LED路灯的设计方法，其特征在于，步骤2)道路照明评价指标包括：路面平均亮度L_av、路面亮度总均匀度U₀、路面亮度纵向均匀度U_L、路面照度平均照度E_av、路面照度均匀度E₀、眩光限制阈值增量TI和环境照度比SR。